SE536929C2 - Rotormaskin avsedd att arbeta som pump eller omrörare samt en impeller för en sådan rotormaskin - Google Patents

Abstract

Uppfinningen avser en rotormaskin och en impeller av vilka rotormaskinen är avseddatt arbeta som vätskepump eller som omrörare i ett fluid såsom en vätska eller en kolloid,varvid rotormaskinen har ett pumphus (1) med en kring en axel (X) roterbart lagrad impeller(2) och vilken rotormaskin har tre huvudsakliga flödespassager omfattande; - en axiell inloppsöppning (4) med definierad öppningsarea (Ain), - en radiellt orienterad utloppsöppning (5) med definierad öppningsarea (Aut), och - en serie av radiellt sig sträckande blad (3) som fördelade utefter impellerns omkrets mellan sig bildar ett antal flödeskanaler (22:1-22:n). För att åstadkomma förbättrad arbetskapacitet är inloppsöppningens (4) öppningsarea (Ain), utloppsöppningens (5) öppningsarea (Aut) och den genom impellern sig sträckande flödeskanalens (22:1- 22:n) sammanlagda effektiva öppningsarean, så inbördes utformade att rotormaskinen tre huvudsakliga passager fylls och töms på nämnda fluid på ett väsentligen likformigt sätt. cmoocumenis and seuingsvegmesktopvninau1oso2\P411o2o1ssEoo\1 10509 besk.docx

Description

- 20 25 30 35 536 929 insikten som ligger till grund för uppfinningen är att problem uppstår vanligen på grund av dimensions- och areavariationer i övergångar vid flödesgenomgångar och att låg effektivitet vanligen orsakas av flödesseparation beroende på snabb retardation eller snabba tryckökning i flödesströmmar till och från ett inlopp respektive utlopp. I enlighet med uppfinningen löses detta genom att inloppsöppningens area, utloppsöppningens area och den genom impellern sig sträckande flödeskanalens sammanlagda effektiva öppningsarea, har givits sådan inbördes form att rotormaskinen tre huvudsakliga passager fylls och töms av vätska på ett likformigt sätt.

Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare med hänvisning till bifogade ritningar på vilka; Fig. 1 visar ett längdsnitt genom en rotormaskin enligt uppfinningen med en i denna upptagen impeller, vilken anordning visas med delvis bortbrutna delar, Fig. 2 visar en grafisk vy av en av en imaginär flödeskanal bildad av angränsande blad på impellern varvid flödeskanalens form varierar mellan dess inloppsöppning och utioppsöppning men där de båda respektive öppningarna uppvisar konstanta tvärsnittareor, Fig. 3 en perspektivvy av ett stycke av en i rotormaskinen ingående impeller som illustrerar mediets flödesprofiler genom den kanal som avgränsas mellan angränsande blad hos impellem, och Fig. 4 visar ett tvärsnitt genom rotormaskinen enligt linjen IV - IV i fig. 1.

I fig. 1 visas en rotormaskin av centrifugaltyp som i det här beskrivna utföringsexemplet är avsedd att arbeta som vätske- eller fluidpump men som i ett något modifierat utförande skulle kunna fungera som omrörare. Rotormaskinen innefattar ett spiralformigt pumphus 1, dvs. en s.k. diffusor med ett snäckhus uppvisande en inre begränsningsvägg 1a som expanderar radiellt utåt relativt den yttre periferin 2a av en i pumphuset arbetande impeller 2. Denna impeller 2 är utefter sin omkrets 2a försedd med blad 3 eller vingar. Utgående från en startpunkt 1b till en på förhand bestämd punkt 1c av begränsningsväggen 1a avviker snäckhuset i såväl axiell som radiell riktning för att öka fluidumbanans tvärsnittsyta A-flow i riktning mot en utmatningspunkt. Pumphusets 1 snäckformade rum har ett suginlopp 4 och ett tryckutlopp 5 för fluidet. impellern 2 har en radiellt utsträckt täckskiva som bildar en bäryta 6 för bladen 3. impellern 2 är roterbart lagrad på en axel 7 och drivs av ett för tydlighets skull ej närmare visat drivaggregat i pilens riktning och i en rotationsriktning X. Som en följd av impellerns 2 rotation sugs ett fluidum i axialriktning dvs. i axelns längdriktning via suginloppet 3 in i det spiralformade pumphuset och utmatas i radiell riktning via tryckutloppet 4. impellerns 2 blad 3 uppvisar en till rotationsriktnlngen bakåtkrökt, profilerad kontur. Genom suginloppet 4 till impellern 2 insuget fluid transporteras genom impellerns blad i radialriktning och inuti det spiralformade pumphuset 1 mot tryckutloppet 5 genom vilken fluidet lämnar rotationsmaskinen. Med 10 10 15 20 25 30 35 536 929 betecknas det förtjockade nav med vilket impellern 2 är fäst på axeln 7. Ritningsangivelser är i det följande gjorda relativt denna rotationsaxel X om inget annat anges. Flödet genom rotormaskinen definieras som volym fluid per tidsenhet (m°ls), och flödeshastighet är hastigheten på flödet och anges i meter per sekund (m/s).

På ritningsfigurerna betecknas ett fluidum som via suginloppet sugs in till pumphuset 1 med flödespilen Ws, varvid suginloppets tvärsnittsarea betecknas med Ain. lmpellerns 2 diametermässigt bredaste centrala del vid dess periferi 2a är något mindre än pumpkammarens 1 innerdiameter och är nämnda delar så inbördes utformade att en successivt vidgande ringspalt 12 bildas vars tvärsnittsarea A-flow, i radiell riktning betraktat, ökar successivt i mediets strömningsriktning mot tryckutloppet 5. Nämnda ringspalt 12 bildar således en ftuidumbana som omger impellern 2 utefter en del av dess periferi 2a och vilken fluidumbanas tvärsnitt A-flow stegvis ökar i riktning mot pumphusets 1 tryckutlopp 5 (se särskilt fig. 4). Tryckutloppet 5 är radiellt orienterad till kammaren 4 och bildar del av rotationsmaskinens trycksida och tryckutlopp, markerat med flödespilen Wd. Tryckutloppets 5 tvärsnittsarea betecknas med Aut. Som nämnts härovan sugs via suginloppet 4 ett fluidum in i pumphuset 1, såsom markeras med pilen Ws_ l fig. 3 visas impellern 2 i en perspektivvy varvid framgår att bärytan 6 är radiellt utsträckt och orienterad i ett plan vinkelrätt mot rotationsaxeln X. Från bärytan 6 sträcker sig bladen 3 såväl axiellt uppåt med en höjd betecknad med (h), som radiellt ut mot den i pumphuset 1 väsentligen runtomgående ringspalten 12 varvid bladens längd betecknas (I).

Nämnda blad 3 sträcker sig vinkelrätt från bärytans 6 huvudyta och i radiell riktning, närmare bestämt mellan en bakre mot navet 10 vänd ände 21a och en främre perifer ände 21b.

Bladen 3 är jämt fördelade utefter bärytans 6 omkrets för att mellan sig bilda en serie av ett antal (n) flödeskanaler 22:1-22:n där varje sådan flödeskanal har ett inlopp 23a vid de angränsande bladens mot rotationsaxeln X vända bakre ände 21a respektive ett utlopp 23b vid de angränsande bladens radiellt främre eller fria ände 21b. Tvärsnittsarean betecknas med A0 för nämnda inlopp 21a medan tvärsnittsarean för nämnda utlopp 21 b betecknas med A1. Varje flödeskanal 22:1-22:n har en nominell tvärsnittsarea betecknad med Avs. Med nominell avses i det följande en respektive flödeskanals 22:1-22:n minsta effektiva area, dvs. det tvärsnitt i en respektive flödeskanal 22:1-22:n på impellern 2 där flödesarean är minst.

Följaktligen bör det underförstås att den totala flödes- eller öppningsarean genom impeltem 2, betecknad A-impl erhålls som produkten av Avs x antalet flödeskanaler (n).

I fig. 2 illustreras schematiskt en flödeskanal 2211 hos impellern 2 varvid nämnda tvärsnittsareor AO respektive A1 härvid för enkelhets skull definieras som produkten av avståndet (b) mellan närbelägna blad 3 och dessas höjd (h) i axelriktningen, dvs. A0=b1xh1 respektive A1=b2xh2. Den nominella tvärsnittsarean Avs betraktas härvid som ett oändligt tunt volymssegment som kan vara beläget vid någon godtycklig punkt utefter flödeskanalens 10 15 20 25 30 35 536 929 22:1 längd (se även fig. 3). Som beskrivits härovan bildar rotormaskinen en centrifugalpump i och med att vid impellerns 2 rotation fluidum kastas från flödeskanalerna 22:1-22:n mot ringspalten 12, för att därifrån strömma vidare ut ur pumphuset via tryckutloppet 5. Det utgående flödet från flödeskanalerna 22:1-22:n ger upphov till ett undertryck som suger in vätska genom suginloppet 4 tili impellern 2. Med uttrycket blad 3 avses i det följande ett plattformigt eller krökt element som är roterbart kring en axel för att åstadkomma en tryckskillnad som bringar ett gas- eller vätskeformigt medium att omfördelas och byta flödesriktning. Bladen 3 är lämpiigen avsmalnande med sin tjockaste del i anslutning till impellerns 2 rotationscentrum eller nav 10 och är i detta fall enkelkrökta, dvs. uppvisande en krökning i endast i ett plan. Som ett alternativ kan bladen 3 vara dubbelkrökta likt skovlar, dvs. uppvisande en krökning iflera plan Det ovan beskrivna utgör i allt väsentligt känd teknik och hänför sig som sådant inte till föreliggande uppfinning. Ånyo med hänvisning till fig. 1 och fig. 4 har som nämnts här ovan, pumphusets 1 första allmänt axiell riktade suginlopp 4 givits en bestämd area Ain och pumphusets andra allmänt radiellt riktade tryckutlopp 5 givits en bestämd area Aut. Enligt föreliggande uppfinning är dessa båda öppningar lika, Ain=Aut, dvs. Ain/Aut är företrädesvis lika med 1.0 eller ligger nämnda kvot i intervallet O.9-1.1. Vid impellems 2 rotationsrörelse inne i pumphusets 1 snäckformiga arbetskammare åstadkommes en hydrodynamisk överföring varvid fluidet lämnar rotormaskinen via ett flöde ut ur pumphuset 1 såsom illustreras med pilen Wd. l fig. 4 visas impellern 2 i en planvy varvid i detta illustrerade exempel impellem 2 har sex blad 3 som är riktade bakåt i förhållande till impellerns rotationsriktning. Mellan närbelägna blad 3 definieras således sex (n) flödeskanaler 22z1-22zn vars bredd betecknad b kan, men inte nödvändigtvis behöver vara konstant. Enligt uppfinningen erhålls rotormaskinens totala genomströmnings- eller öppningsarea Atot-impl för fluidum genom impellern 2 som produkten av nominella tvärsnittsarean Avs och antalet (n) flödeskanaler 22:1-22:n över impellerns 2 båryta 6. Ett viktigt särdrag hos föreliggande uppfinning är förutom att pumphusets 1 inloppsarea Ain och utloppsarea Aut är väsentligen lika, särdraget att impellerns 2 totala öppningsarea, Atot-impl = n x Avs är lika med nämnda inlopps- utloppsareor Ain, Aut hos pumphuset 1. På liknande sätt är också tvärsnittsytan A-flow, för den fluidumbana som avgränsas mellan impellerns 2 yttre periferi 2a och det snäckformade pumphusets 1 rutomgàende inre begränsningsvägg 1a, vald att expanderas i radiell riktning på ett bestämt sätt så att en mjuk successivt vidgande fluidumbana avgränsas. Nännare bestämt expanderar pumphuskroppens yttre vägg eller den s.k. snäckan radiellt utåt från impellerns 2 periferi på ett sådant sätt att tvärsnittsytan A-flow ökar stegvis så att den utgående från en startpunkt 1b för snäckan kontinuerligt vidgar sig så att tvärsnittsytan A- 10 15 20 25 30 35 536 929 flow vid varje given punkt 1c av strömningsbanans tvärsnittsarea A-flow längs snäckans insida 1a motsvaras av öppningsarean Atot-impl för det effektiva antal (n-eff) av impellerns 2 flödeskanaler A-impl som befinner sig mellan nämnda startpunkt 1b och en given punkt 1c utefter snäckans insida 1a. Det vill säga dvs. Atot-impl = n-eff x Avs där n-eff utgörs av aktuellt antal (n) effektiva flödeskanaler som befinner sig mellan nämnda startpunkt 1b och ett givet steg (n) vid en bestämd slutpunkt 1c av snäckan.

En rotormaskin av föreliggande typ måste således dimensionering av följande fyra flödespassager och areor noggrant beaktas vid maskinens konstruktiva utformning, nämligen; - suginloppet 4 och arean Ain, - tryckutloppet 5 och arean Aut, - lmpellerns totala öppningsarea Atot-impl för summan av flödeskanalerna 22:1-22:n genom impellern beräknat som Atot-impl = n x Avs där uttrycket Avs avser varje flödeskanals nominella area, och - snäckans radiella expansion med tvärsnittsytan A-flow, där Atot-impl = n-eff x Avs och n-eff utgörs av aktuellt antal (n) effektiva flödeskanaler som befinner sig mellan snäckans startpunkt 1b och en given slutpunkt 1c av snäckan.

Sammantaget grundar sig föreliggande uppfinning på slutsatserna att rotormaskinens verkningsgrad kan förbättras genom att tillse att kvoten mellan Ain, Aut och Atot-impl är väsentligen lika med ett eller att kvoten mellan någon av dessa delar inbördes ligger i intervallet 0.9-1.1. l fig. 2 visas schematiskt en profil genom en exemplifierande flödeskanal 22:1 hos impellern 2 i vilket det bör inses att denna typ av flödeskanal kan uppvisa godtycklig forrn.

Profilen A0 definierar inloppsöppningens 22a tvärsnittsarea och A1 utloppsöppningens 22b tvärsnittsarea. Den illustrerade flödeskanalens 22:1 sidor avgränsas av två närbelägna motstående blad 3, flödeskanalens 22:1 botten avgränsas av en del av bärytan 6 och dess överyta av en del av ett i pumphuset ingående ändlock 1d. Flödeskanalens 21:1 nominella volym beräknas som, längd (I) x nominell tvärsnittsarea (Avs). Motstående över- respektive underyta 1d. 6 och motstående sidoytor 3 som avgränsar den specifika flödeskanalen 22:1 kan divergera eller konvergera mot eller fràn varandra i flödeskanalens flödesriktning. Med uttrycket ”divergerande kanal" respektive ”konvergerande kanal", avses i det följande att två av kanalens motstående avgrånsningsytor divergerar respektive konvergerar från parallellism i en axelriktning. Enligt föreliggande uppfinning är det dock väsentligt att eventuell formförändring av flödeskanalen åstadkommas med konstant tvärsnittsarea över hela flödeskanalens 22:1 längd. Det vill säga, oberoende av flödeskanalens 22:1 geometriska tvärsnittsform, inbördes avstånd mellan motstående ytor samt hur de konvergerar och divergerar relativt varandra i flödeskanalen så är det väsentligt att 10 15 20 25 30 35 536 929 flödeskanalen 22:1 är sà utformad att förhållandet AOIA1 alltid är väsentligen lika med 1, varvid A0 är flödeskanalens utloppsarea och A1 är flödeskanalens inloppsarea. Kvoten mellan A0 och A1 bör alltså vara lika med ett eller i varje fall ligga i intervallet 0.9-1.1, dvs. areaförhållandet AO/A1 är företrädesvis nära eller lika med ett.

In fig. 3 betecknas med Avs nominell tvärsnittsarea hos ett oändligt tunt volymsegment som är beläget vid en godtycklig punkt utefter den angivna flödeskanalens 22:1 längd varvid flödeskanalens totala volym eller egentligen flödeskapacitet definieras av ett antal på varandra följande volymsegment. Det vill säga flödeskanalens 32:1 flödeskapacitet är summan av ett godtyckligt antal sådana volymssegment Avs tvärs kanalen där integrationsgränsema utgörs av flödeskanalens 31 radiella längd. Kvoten mellan en nominell pà förhand bestämd area och det volymssegment Avs som förflyttas utefter en flödessträcka mellan flödeskanalens 22:1 inloppsöppning 22a respektive utloppsöppning 22b skall enligt uppfinningen vara lika med ett (1), eller i vart fall ligga inom intervallet 0.9 - 1.1, dvs. bara avvika ca 10 % från det tvärsnittsareans Avs nominella värde. Förhållandet mellan ett volymsegment med nominella tvärsnittsarean Avs som förflyttas mellan flödeskanalens 22:1 inloppsöppning 22a respektive utloppsöppning 22b bör således dels uppvisa samma tvärsnittsarea längs hela integrationssträckan (kanalens längd), dels samma tvärsnittsarea som nämnda inlopp/utlopp . Det vill säga uppmätta avvikelsen från nominell tvärsnittsarea Avs i flödeskanalen, dvs. Delta Avs (AAvs) bör ligga i intervallet 0.9 - 1.1. Det vill säga, flödeskanalens 22:1 tvärsnittsform kan varieras men den nominella tvärsnittsarea Avs hos ett oändligt tunt volymsegment som rör sig mellan inlopp/utlopp bör enligt uppfinningen vara väsentligen konstant.

En av de stora fördelarna med föreliggande utförande av flödeskanalen 22:1, dvs. närmare bestämt impellerns 2 sammanlagda flödeskanaler 22:1-22:n, med konstant nominell tvärsnittsarea Avs utefter sin längd är att flödeskanalen kommer att fyllas och tömmas likformigt. Detta trots att flödeskanalens 22:1 vid sin mot rotationsaxeln X beiägna inloppsöppning 22a lämpligen uppvisar en väsentligen axlellt utdragen ytarea och att utloppsöppningen 22b vid sin från rotationsaxeln X vända perifera ände uppvisar en radiellt utsträckt ytarea. Ur dimensionerings- och flödessynpunkt nämnda ytarea för inlopp respektive utlopp av betydande fördel. Med axiellt utsträckt form avses att flödeskanalens 22:1 inlopp 22a uppvisar en axiell högre höjd (h) än utloppet 22b. På samma sätt är flödeskanalens 22:1 inlopp 22a smalare och uppvisande en mindre bredd (b) än utloppet 22b. uppfinningen är ej begränsad till det ovan beskrivna och det pä ritningarna visade utan kan ändras och modifieras på en rad olika sätt inom ramen för den i efterföljande patentkrav angivna uppfinningstanken. »m w-»w-w-qg-.vwvwe

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 536 929 PATE NTKRÅV _ Rotormaskin avsedd att arbeta som vätskepump eller som omrörare i ett fluid såsom en vätska eller en kolloid, varvid rotormaskinen har ett pumphus (1) med en kring en axel (X) roterbart lagrad impeller (2) och vilken rotormaskin har tre huvudsakliga flödespassager omfattande; - ett axiellt suginlopp (4) med definierad öppningsarea (Ain), - ett radiellt tryckutlopp (5) med definierad öppningsarea (Aut), och - en serie av radiellt sig sträckande blad (3) som fördelade utefter impellerns omkrets mellan sig bildar ett antal (n) flödeskanaler (22:1-22:n) som vardera har en nominell tvärsnittsarea (Avs) och vilka kanaler tillsammans bildar en sammanlagd nominell öppningsarea (Atot-impl) genom impellern, k ä n n e t e c k n a d av att suginloppets (4) öppningsarea (Ain), tryckutloppets (5) öppningsarea (Aut) och att den genom impellern (2) sig sträckande flödeskanalens (22:1-22:n) sammanlagda nominella öppningsarea (Atot-impl) är inbördes så utformade, att kvoten för den valda öppningsarean mellan någon av rotormaskinens nämnda tre huvudsakliga flödespassager (Ain, Aut, Atot- impl) ligger i intervallet 0.9-1.1. Rotormaskin enligt kravet 1, varvid den sammanlagda nominella öppningsarean (Atot- impl) av det antal (n) volymssegment (Avs) som befinner sig på en godtycklig punkt utefter en flödessträcka mellan inloppet (22a) respektive utloppet (22b) hos var och en av nämnda flödeskanaler (22:1-22:n), är lika med såväl suginloppets (4) öppningsarea (Ain) som tryckutloppets (5) öppningsarea (Aut), dvs kvoten mellan någon av maskinens tre huvudsakliga flödespassager (Ain, Aut, Atot-impl) är lika med ett. Rotormaskin enligt något av kraven 1-2, varvid suginloppets (4) öppningsarea (Ain) = tryckutloppets (5) öppningsarea (Aut) = den sammanlagda nominella öppningsarean (Atot-impl) för impellerns (2) samtliga flödeskanaler (22:1-22:n). _ Rotormaskin enligt något av kraven 1-3, omfattande en kombination av något av följande villkor; - att Ain/Aut är i intervallet 0.9 - 1.1, - att Atot-impl/Ain är i intervallet 0.9 - 1.1, - att Atot-impl/Aut är i intervallet 0.9 - 1 .1, - att Atot-flow/A-impl(n-eff) äri intervallet 0.9 - 1.1. - att A0lA1) är i intervallet 0.9 - 1, - att AAvs för en flödeskanal (22:1-22:n) är i intervallet 0.9 - 1.1, 10 15 20 25 30 536 929 där där Ain är suginloppets (4) öppningsarea där Aut är tryckutloppets (5) öppningsarea där Atot-impl år summan av varje flödeskanals (22z1-22zn) nominella tvärsnittsarea (Avs), där A-flow är en i snäckan ringkanal bildad tvärsnittsyta och n-eff är antalet (n) effektiva flödeskanaler (22:1-22:n) mellan en startpunkt (1b) och slutpunkt (1c) vid snäckan. där A0 är öppningsarean för ett inlopp (22a) och A1 utloppsarean för ett utlopp (22b) av en flödeskanal (22:1-22:n), där AAvs är avvikelsen från en nominell tvärsnittsarea (Avs) hos ett volymssegment som förflyttas mellan inlopp (22a) respektive utlopp (22b) av en flödeskanal (22:1- 22:n). lmpeller för en rotormaskin avsedd att arbeta som vätskepump eller som omrörare i ett fluid såsom en vätska eller en kolloid och vilken lmpeller (2) är roterbart lagrad i ett i rotormaskinen ingående pumphus (1) för rotation kring en axel (X) och omfattande en radiellt utsträckt bäryta (6) som orienterad i ett plan vinkelrätt mot rotationsaxeln bär en serie av radiellt sig sträckande blad (3) som fördelade utefter basdelens omkrets mellan sig bildar en serie flödeskanaler (22:1-22:n) där varje flödeskanal har en mot rotationsaxeln riktad inloppsöppning (22a) med en inloppsarea (AO) och en radiellt utåt riktad utloppsöppning (22b) med en utloppsarea (A1), k ä n n e t e c k n a d av att varje fiödeskanal (22:1-22:n) är så utformad att den med avseende på ett volymssegment med nominell tvärsnittsarea (Avs) som kan befinna sig på en godtycklig punkt utefter en flödessträcka mellan flödeskanalens inloppsöppning (22a) respektive utloppsöppning (22b), uppvisar en tvärsnittsarea utefter flödeskanalens (22:1-22:n) hela längd vars maximala avvikelse (AAvs) från den nominella tvärsnittsarea (Avs) är i intervallet 0.9 -

1.1, och att de blad (3) som mellan sig avgränsar flödeskanalerna (22:1-22:n) med avseende på deras bredd (b) i impellerns huvudplan vinkelrätt mot rotationsaxeln (X), divergerar från varandra i flödeskanalens flödesriktning så att var och en av nämnda flödeskanaler uppvisar en större radiell bredd i vid sin utloppsöppning (22b) än vid sin inloppsöppning (22a). -wwm-...m- vi-euwfn-wu-la-